章照宏，萬 智，楊明輝

(1.湖南省高速公路管理局，湖南長(zhǎng)沙 410001;2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015;3.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

在我國(guó)，箱梁橋由于其整體受力性能優(yōu)越而得到了廣泛應(yīng)用［1］。箱梁橋的適用范圍很廣，在30～300 m的跨徑內(nèi)均具有良好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大跨徑變截面箱梁橋，一般采用懸臂澆注或者懸臂拼裝的方式施工，而對(duì)于小跨徑的等高度小箱梁橋，一般采用預(yù)制場(chǎng)整體預(yù)制再通過架橋機(jī)鋪設(shè)的方式施工，對(duì)于跨徑居中，截面寬度較大整體箱梁，一般采用滿堂支架現(xiàn)澆的方式施工，對(duì)于滿堂支架施工的橋梁，最關(guān)鍵的是支架在澆筑過程滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定要求，以免造成不可挽救的悲劇。文獻(xiàn)［2～4］總結(jié)了國(guó)、內(nèi)外近年來發(fā)生的由支架倒塌引起事故，并對(duì)其支架倒塌的原因進(jìn)行了分析，但對(duì)支架倒塌后結(jié)構(gòu)的受力性能缺乏相應(yīng)的研究。

1 工程概況

本文的研究對(duì)象為3×57 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，主梁斷面為單箱單室箱型截面，梁高3.2 m，箱梁頂板全寬8.3 m，頂板厚度25 cm;底板寬度為4.5 m，厚度為50 cm(墩頂)～22 cm(跨中);腹板厚度為為75 cm(墩頂)～45 cm(跨中)，截面尺寸如圖1所示，采用C50混凝土，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí)，人群荷載為3.45 kN/m2。

該橋共分三段進(jìn)行現(xiàn)澆施工，第1段長(zhǎng)度為第1跨57 m和第2跨的12 m，第2段長(zhǎng)度為第2跨剩下的45.8 m和第3跨的12 m，第3跨剩下的48 m為第3施工段，按順序依次進(jìn)行整體支架現(xiàn)澆，強(qiáng)度達(dá)到要求后張拉對(duì)應(yīng)段的預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖1 跨中截面尺寸圖(單位:cm)

該橋在完成第2段預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土澆筑后約20 d，突遇罕見暴雨致山洪暴發(fā)，第2跨支架被洪水徹底沖毀，但此時(shí)第2段箱梁混凝土內(nèi)預(yù)應(yīng)力尚未張拉，此時(shí)，該橋第2施工段為非預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，完全以鋼筋混凝土承受結(jié)構(gòu)的自重，如果混凝土齡期不足或者梁高較小的話，很有可能結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌?，F(xiàn)場(chǎng)有關(guān)單位立即對(duì)支架倒塌后的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了初步調(diào)查，調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn):該橋中跨跨中有下?lián)?，與混凝土澆筑后第4天的橋面標(biāo)高相比，跨中下?lián)狭舜蠹s9.7 cm，而且箱梁內(nèi)部的底板及腹板位置出現(xiàn)了大量可見裂縫。為防止出現(xiàn)更大的事故，現(xiàn)場(chǎng)專家討論后決定對(duì)第二跨預(yù)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，張拉后發(fā)現(xiàn)，梁體上撓了5.9 cm，大量裂縫閉合，裂縫寬度明顯減小。

為分析支架倒塌后該橋的結(jié)構(gòu)性能，本文采用有限元分析軟件ANSYS建立實(shí)體模型對(duì)該橋進(jìn)行分析，從理論上模擬支架倒塌的過程，分析支架倒塌后梁體的位移、裂縫形態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)撓度及裂縫形態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

基于彈性理論的平面有限元分析軟件不能準(zhǔn)確地評(píng)估開裂后鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)性能，因此本文采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)該橋進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖2所示。ANSYS分析模型采用實(shí)體單元，采用能考慮混凝土開裂及壓碎的Solid65單元對(duì)混凝土單元進(jìn)行模擬，對(duì)于箱梁中的普通鋼筋，通過配筋率的形式采用整體鋼筋模型進(jìn)行考慮，采用桿單元(Link8)模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線，不考慮混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)滑移［5］，預(yù)應(yīng)力損失按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算［6］。

圖2 ANSYS計(jì)算模型

通過ANSYS中的單元生死和荷載步模擬該橋第2跨支架沖垮對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響，有限元模擬該橋的施工過程的加載步如表1所示，自重采用慣性力取加速度為9.8 N/kg進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)營(yíng)階段時(shí)汽車荷載采用影響面進(jìn)行加載，截面梯度溫度按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［6］進(jìn)行計(jì)算。

2.2 材料取值

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］建議的公式，如下式所示:

表1 有限元分析過程

式中，εc為混凝土應(yīng)變;σc為混凝土應(yīng)力;fc為混凝土棱柱體抗壓強(qiáng)度;ε0為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)應(yīng)變;εcu為極限應(yīng)變，按照規(guī)范計(jì)算可分別求得ε0=0.000 2，εcu=0.003 3，有限元分析中采用多線性等向強(qiáng)化模型(MISO)對(duì)混凝土進(jìn)行分析。

普通鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系可采用理想彈塑性模型，ANSYS中采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬。普通鋼筋通過配筋率的形式在混凝土中加以考慮。

預(yù)應(yīng)力采用初應(yīng)變法進(jìn)行模擬，利用節(jié)點(diǎn)耦合的方法將預(yù)應(yīng)力筋節(jié)點(diǎn)和混凝土連成整體。ANSYS采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO對(duì)混凝土本構(gòu)進(jìn)行模擬。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 撓度分析結(jié)果

表2列出了ANSYS實(shí)體模型垮架及張拉第2跨預(yù)應(yīng)力過程中第2跨跨中截面位移結(jié)果，圖3為垮架后梁體變形圖。

表2 不同階段第2跨跨中截面位移 cm

從表2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，支架倒塌的瞬間第2跨跨中截面單元的豎向變形為8.16 cm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的豎向變形為9.7 cm，ANSYS分析值與實(shí)測(cè)值比較接近。張拉4束底索后，跨中截面豎向位移上升2.77 cm，接著張拉剩下的6根通長(zhǎng)索后又上升了3.19 cm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力筋完全張拉后，跨中豎向位移上升5.9 cm，預(yù)應(yīng)力張拉過程中，有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。說明該實(shí)體模型能較好的模擬垮架這一過程，計(jì)算模型可靠。

圖3 支架倒塌后橋梁撓度示意圖(單位:m)

3.2 裂縫形態(tài)分析

支架倒塌后，施工單位立即組織相關(guān)人員對(duì)第2跨箱梁內(nèi)部上、下游腹板的裂縫形態(tài)進(jìn)行了描繪，圖4為第2施工段實(shí)測(cè)裂縫形態(tài)示意圖，有限元程序ANSYS計(jì)算得到箱梁橋裂縫形態(tài)如圖5所示。結(jié)合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，有限元計(jì)算得到的裂縫形態(tài)與實(shí)測(cè)裂縫的范圍及裂縫開展高度基本一致，但有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，墩頂區(qū)域及第1施工段與第2施工段接縫區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)大量裂縫，實(shí)測(cè)時(shí)沒在這些區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量裂縫，主要原因可能是，由于箱梁高度較大，頂板附近裂縫不容易發(fā)現(xiàn)，且預(yù)應(yīng)力張拉后部分裂縫閉合了。

圖4 實(shí)測(cè)裂縫形態(tài)

圖5 有限元計(jì)算裂縫形態(tài)

3.3 應(yīng)力結(jié)果分析

依據(jù)施工階段通過對(duì)該橋進(jìn)行模擬，可得到各階段混凝土及鋼筋應(yīng)力。選取各跨的跨中截面、各墩墩頂附近截面及接縫位置附近截面作為控制截面，表3為支架倒塌后各控制截面處混凝土及鋼筋的應(yīng)力，表4列出了標(biāo)準(zhǔn)組合(組合Ⅰ:1.0荷載+1.0汽車荷載+1.0正溫度梯度;組合Ⅱ:1.0荷載+1.0汽車荷載+1.0負(fù)溫度梯度)下各控制截面處的混凝土及鋼筋的應(yīng)力。

可以發(fā)現(xiàn)，支架倒塌的瞬間，2號(hào)墩頂截面上緣、接縫位置、第2跨跨中截面下緣及3號(hào)墩墩頂截面上緣拉應(yīng)力均大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，均出現(xiàn)了大量裂縫，這與實(shí)測(cè)及有限元分析的裂縫圖比較吻合;支架倒塌時(shí)刻，橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋應(yīng)力最大為259.4 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在3號(hào)墩墩頂截面上緣，但該應(yīng)力值小于HRB335鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說明支架倒塌瞬間，雖然第2施工段以鋼筋混凝土承受自重，但梁內(nèi)鋼筋仍沒有屈服，如果通過預(yù)應(yīng)力張拉及其他加固措施能閉合梁體裂縫，可以認(rèn)為該橋仍可按彈性體計(jì)算。

為進(jìn)一步評(píng)估，橋梁損傷后，運(yùn)營(yíng)階段梁體應(yīng)力狀態(tài)，表4列出了標(biāo)準(zhǔn)組合控制截面應(yīng)力，由表4可知，標(biāo)準(zhǔn)組合下，各控制截面最大壓應(yīng)力為17.8 MPa，沒有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但是壓應(yīng)力超過規(guī)范規(guī)定受壓區(qū)混凝土的最大正壓應(yīng)力0.5fck(16.4 MPa)的限制，需要采取相應(yīng)的加固措施。

表3 支架倒塌后控制截面應(yīng)力 MPa

表4 標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下各控制截面應(yīng)力 MPa

4 分析結(jié)論

采用ANSYS軟件的實(shí)體單元建模對(duì)某箱梁橋進(jìn)行分析評(píng)估，從理論上模擬垮架的過程，分析垮架后梁體的位移、裂縫形態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)，特別是鋼筋應(yīng)力狀態(tài)。主要結(jié)論如下:

1)支架倒塌的瞬間第2跨跨中截面單元的豎向變形為8.16 cm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的豎向變形為9.7 cm，ANSYS分析值與實(shí)測(cè)值比較接近。預(yù)應(yīng)力筋完全張拉后，跨中豎向位移上升5.9 cm，預(yù)應(yīng)力張拉過程中，有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近。說明該實(shí)體模型能較好的模擬垮架這一過程，計(jì)算模型可靠。

2)有限元計(jì)算得到的裂縫形態(tài)與實(shí)測(cè)裂縫的范圍及裂縫開展高度基本一致。

3)支架倒塌時(shí)刻，橋梁結(jié)構(gòu)中的鋼筋應(yīng)力最大為259.4 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在3號(hào)墩墩頂截面上緣，但該應(yīng)力值小于HRB335鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說明支架倒塌瞬間，雖然第2施工段以鋼筋混凝土承受自重，但梁內(nèi)鋼筋仍沒有屈服，如果通過預(yù)應(yīng)力張拉及其他加固措施能閉合梁體裂縫，可以認(rèn)為該橋仍可按彈性體計(jì)算。

4)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，控制截面最大壓應(yīng)力為17.8 MPa，超過規(guī)范規(guī)定受壓區(qū)混凝土的最大正壓應(yīng)力0.5fck(16.4 MPa)的限制。

5 加固建議

有限元分析結(jié)果表明其標(biāo)準(zhǔn)值組合下正壓應(yīng)力不能滿足橋梁規(guī)范［6］要求，說明因支架倒塌致使原結(jié)構(gòu)的受力指標(biāo)部分不滿足規(guī)范要求，因此必須進(jìn)行加固處理。為了加強(qiáng)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的極限承載能力和正常使用能力，使之能滿足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)本橋梁作如下維修加固建議:

1)將3跨連續(xù)箱梁主橋的橋面現(xiàn)澆層厚度由原來的10 cm增大到12 cm，并將其作為承重結(jié)構(gòu)層參與結(jié)構(gòu)作用。為保證現(xiàn)澆混凝土層與箱梁可靠連接，必須在箱梁和現(xiàn)澆混凝土層結(jié)合面間配置豎向結(jié)合筋。在加固層上鋪設(shè)改性瀝青防水層，然后鋪設(shè)5 cm瀝青混凝土作為橋面鋪裝。

2)為提高該橋第2跨承載能力安全系數(shù)，閉合已有裂縫及改善截面上下緣應(yīng)力比，對(duì)該橋進(jìn)行外預(yù)應(yīng)力加固，在第2跨布置2束19Φsj15.24體外預(yù)應(yīng)力筋。

3)對(duì)于已有裂縫，在橋面鋪裝完成后視裂縫的實(shí)際情況進(jìn)行分別處理，對(duì)于寬度大于0.1 mm的裂縫采用“壁可法”處理;對(duì)于寬度小于0.1 mm的裂縫結(jié)合箱梁內(nèi)、外側(cè)表面涂裝采用表面封閉法處理。

4)裂縫處理后，對(duì)該橋內(nèi)、外表面采用涂裝處理，以保證橋梁的耐久性。

［1］郭金瓊.箱型梁設(shè)計(jì)理論［M］.北京:人民交通出版社，1991.

［2］謝建民，王建宏.模板支架倒塌事故分析與對(duì)策［J］.施工技術(shù)，2004，33(2):35 －37.

［3］王有志.橋梁鋼管支架安全評(píng)估方法研究［D］.天津:天津大學(xué)，2004.

［4］白 蘋.分節(jié)段支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁受力分析與監(jiān)測(cè)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［5］程 進(jìn)，沈旭東，孫 斌，等.基于ANSYS的預(yù)應(yīng)力混凝土曲線梁橋三維施工仿真分析［J］.公路交通科技，2007，24(4):108－112.

［6］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］GB 50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］GB 50367－2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.